고온 열플라즈마 공정을 고온 열플라즈마 공정을
이용한 폐기물 처리 이용한 폐기물 처리
8 조 박 병 훈
목 목 차 차
PLASMA
1. 플라즈마기술의 도입 2. 플라즈마기술
3. 플라즈마 처리개념도 4. 플라즈마의 기술적 특징 5. 플라즈마와 소각과의 차이점 고온 열 플라즈마
1. 플라즈마란
2. 고온 플라즈마 형성기체 3. 고온 플라즈마 발생장치 4. 아크 플라즈마 방생장치
전기 아크 플라즈마 공저을 이용한 병원성 폐기물 처리 1. 병원성 폐기물
2. 실험 장치 및 실험 재료 3. 병원 폐기물 열적 처리 실험 4. 병원균의 파괴효율
PLASMA
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1 . 고온 플라즈마 기술 도입 배경
특정산업폐기물의 환경오염이 사회적 문제로 대두
다이옥신 등 소각시 배가스에 의한 대기오염 문제 심각
폐기물처리 후 2 차오염 심각
2. 고온 플라즈마 기술의 목적
특정 폐기물 처리에 대한 응용 및 활용
2 차 환경오염 문제 해결
난분해성 유독성 화학 폐기물 열분해 → 에너지 및 자원화 가능
중금속 함유 폐기물 :
유가 금속으로 회수 , 유리질 고용화
방사성 폐기물 유리질 고용화 처리 → 부피 및 무게 감소
3. 플라즈마 처리개념도
폐기물
→ 반응기 (2000℃∼7000℃)
→ 배출가스처리
→ 연료가스
→ 냉각
→ 유리고형화
4. 고온 플라즈마 기술적 특징
열분해
보통 2000℃∼7000℃( 최대 20000℃) 에서 완전분해
열원 : 아크플라즈마 반응
생성가스 : 연료 가스화
가스 발생량 ① 완전분해
② 소각시보다 극히 소량 , 유해성 또한 적다 . ( 발생가스가 소량
→ 처리시설의 규모 , 유지비 절감 )
5. 플라즈마와 소각의 차이점
소각 플라즈마
기술적 · 유독물 , 불연물등의 처리 한계
· 후속섬비 대형화 및 복잡
· 연소시간 느림
· 온도상승한계
· 지하건설 불가
· 요량증설 어려움
· 모든 페기물에 적용가능
· 후속설비 최소
· 순간적 열분해
· 초고온 도달
· 지하건설 가능
· 기존 매립장의 안정화에 적용
·2000∼7000℃ 온도조절가능
· 지정 , 방사성 , 병원성 페기물 에도 적용가능
2 차오염 · 다량의 배가스
· 다이옥신 등 유독성분 배 출위험
·ASH 에 중금속물질 함유 위험
· 소각시 악취누출 위험
· 배가스 발생 극소
· 악취누출 차단
· 완전열분해에 의한 무공해
·SLAG 형성
· 배기가스량 소각시의 5% 이하 재활용 · 소각열에 의한 제한된 열 에너
지 생산
·SLAG를 골재로 애용가능
·발생전력 자체이용 및 판매
고온 열 플라즈마
1. 플라즈마란 ..
전기적으로 중성이나 양성과 음성으로 하전된 입 자에 의해 전도도를 띈다 .
전자장을 이용하여 플라즈마의 제어가 가능 .
플라즈마의 생성 -
① 기체 , 고체 ( 극도의 고온 , 고압 하 ) 가능 ② 대상물질의 이온화 에너지보다
큰 에너지를 외부에서 흡수하게 될 때 ☞ 플라즈마는 다양한 에너지원으로 발생
2. 고온 열플라즈마 형성가스
플라즈마 발생장치의 전압 - 전류 특성에 커 다란 영향을 미친다
플라즈마 가스의 열용량 및 열전도도가 플라 즈마 공정 및 발생장치의 설계에서 더 중요 한 인자이기도 하다 .
처리대상물 혹은 처리목적에 따라 플라즈마 형성가스를 선택
☞ 반응기내의 가스 분위기를 불활성 , 산화
성 , 환원성 조절
불활성기체
- 분자상 기체에 비해 열용량은 낮으나 높은 온도의 플라즈마를 발생
분자상 기체
- 높은 열용량으로 인해 플라즈마를 발생하 기 위해 많은 에너지가 필요 . 과열현상으로 인해 전극의 침식 촉진
3. 고온 열플라즈마 발생장치
처리대상물의 응용 및 환원 등에 사용할 수 있는 다량의 열에너지로 전환시키는 장치
가스 이온화를 위한 충분한 에너지가 공급 → 고온 열플라즈마 발생
(1) 아크 (arc) 플라즈마 발생장치 ( 직류 플라즈마 )
두 개의 전극에서 발생하는 전기 아크로서 발생
가스를 고온의 아크 사이에 통과
→ 가스의 플라즈마로서의 전이 가능 .
고주파플라즈마 장치에 비해 큰 용량의 장치 제작
→ 널리 이용
• ⑵ 외부 용량 플라즈마 (capacitive plas ma) 강한 전기장을 통해 플라즈마 생성 가능
방전관 외부에 설치된 환형전극을 이용
⑶ 유도 플라즈마 (inductive plasma)
원주형태의 유도코일에 의해 유기되는 고 주파 전자장을 이용
4. 아크 플라즈마 발생장치
⑴ 아크 방전
두 개의 전극간에 교류 ( 직류 ) 를 통하게 하여 열음극에서 발생하는 열전자에 의해 일어남
전압 - 전류의 특성은 낮은 전압 (>100V ) 그리고 높은 전류 (100∼1,000V) 를 보 인다 .
⑵ 비이송식 플라즈마 발생장치
양전극과 음전극이 토치 내에 설치되어 가스를 플 라즈마화
반응은 전극 사이에 일어남 .
액상의 화학 유기폐기물 분해 .
⑶ 이송식 플라즈마 발생장치
전도성을 가진 처리대상물을 양전극으로 대치
별도의 양전극을 반응로 하부에 설치
열전달이 직접 처리대상물에 전달됨 → 효율이 높다
응용 및 정련공정
☞ 토치의 특성에 따라 그 전압 - 전류 특성이 변함
전기아크 플라즈마 전기아크 플라즈마
공정을 이용한 공정을 이용한
폐기물 처리
폐기물 처리
1. 병원성 폐기물
다양한 염소계 유기화합물 함유 → 인체 및 환경에 치명적 악영향
다이옥신 / 퓨란 류의 발암성 물질 :
도시폐기물보다 수십배 정도 많이 배출
☞ 플라즈마 공정을 이용하여
유기물질의 생성 방지
유해중금속의 침출이 없는 유리 슬래그 생성
2. 실험 장치 및 실험 재료
플라즈마 발생장치
- 전기 에너지를 열에너지로 전환
토치 시스템 : 비이송식 방식
반응기
실험 재료 - 한 병원의 폐기물
3. 병원 폐기물 열적 처리 실 험
병원 폐기물 - 수분 함량이 20%,
저위 발열량을 4972 kcal/kg 으로 소각시 보조 연료 불필요
연소 온도 240 ℃ 에서 시작 → 400 ℃ 에서 종료
그림 그림 1. 1.
4. 병원균의 파괴효율
실험
① 지시 미생물의 포자 주입 ② 시간별로 배기 가스를
인산염 완츙액에 흡수 ③ 완충액 적당량에 배양
그림 그림 2. 2.
미생물 투입후 5 분간 미생물의 파괴 효율 이 99.995% 였지만
7 분정도가 되었을 때는 거의 100% 의 파괴효율을 보임
☞ 플라즈마 공정에서 체류시간 증가 가스의 분출에 의한 영향 최소화
(← 초기의 파괴효율 감소 막기 위해 )
5. 유해화학물질 파괴효율
실험
① 플라즈마 반응기의 온도 1100℃
② 10g 의 클로로벤젠을 투입
③ 산소조건과 무산소 조건에서 실험
그림 그림 3. 3.
① 무산소 조건
- 25 분 후 클로로벤젠이 배출 파괴효율 99.59%
② 산소 조건
- 15 분 후 클로로벤젠이 배출 파괴효율이 99.99%
☞ 플라즈마 처리 공정은 산소조건이어야 한 다 .
6. 병원폐기물 처리시의 2 차오염 평가
실험
① 반응기의 온도 1100℃
② 5g 의 폐기물 투입
③ 산소당량을 0.8, 1, 2 로 해서 실험
그림 4 .CO
그림 5. NOX
그림 6. SO2
그림 7. HCl
플라즈마 시스템에서는
적절한 2 차 연소실과 NOx 제어 설비 , HCl 제어설비 등이 필요
결 론 결 론
1. 1. 플라즈마의 경제적 효과 플라즈마의 경제적 효과
폐기물 톤당 약 160kg 의 골재생산
보조 연료 불필요
배가스 소량 발생 : 시설비 , 유지비 절감
톤당 건설비 약 8 천 만원 ( 발전시설 포함
자원 및 에너지 재활용
국토의 효율적 이용
폐기물 톤당 약 900kwh 전력 발생
2. 2. 플라즈마의 환경적 효과 플라즈마의 환경적 효과
고온 열분해 : 유해가스 배출 방지
토양오염방지
기준 매입장 안정화 : 오염 방지
3. 3. 활용 활용 , , 확대 방안 확대 방안
산업폐기물 , 유독물 , 방사성 폐기물의 적 정처리
고각재 및 분진 처리
고로 및 전기로의 부산물에서 자원회수
석탄에서 GAS 추출
페촉매로부터 자원 회수
모든 종류의 폐기물 적정처리
